基于ArduPilot评台的AGV物流车设计

    吴承伟+陈明

    

    摘要：文章提出一种将ArduPilot自动驾驶系统融入AGV小车的设计思路。本设计利用Atmega2560作为主控芯片，高精度UBloxGPS模块作为户夕卜路径导引。自组12V锂电池电源提供动力。小车底盘后置有刷电机，由电子调速器进行同步控制，并利用舵机实现灵活转向。整车设计制作完成后经测试，具备较好导向性和定位精度，适合户外远距离自动运输。

    关键词：AGV；ArduPilot；GPS导引；Atmega单片机

    1AGV小车概述

    在现代物流业中，自动引导车辆（AutomatedGuidedVehicle，AGV）被广泛应用于物流运输中。其是一种由计算机和局域网控制，经导航装置导引并沿程序预定路径自动运行，载运物品或牵引载货车至指定地点，进而实现物料的自动装卸和搬运的无人驾驶输送设备。

    AGV小车的导引方式不仅决定了物流系统的柔性程度，也影响了整个系统的可靠性。目前，常见的导引方式有电磁导引、磁带导引、光学导引、激光导引、惯性导引、视觉导引、GPS系统导引等。其中，电磁与磁带导引受外界因素干扰大，不适于远距离运输；光学导引对周围环境要求高，可靠性较差；激光导引精度较高，但对天气条件要求较高，不适合户外使用；惯性导引的精度取决于陀螺仪精度，制造成本高；视觉导引方式也是目前极力推广的方式之一，目前阶段由于系统复杂，成本过高，且受图像传感器精度影响较大，并未广泛采用。本文所介绍的基于GPS系统的导引方式主要用于远距离跟踪和导引，其导引数据经差分处理后具备较高精度，能满足一般物流所需，更适合户外远距离大型物品运送[1]。

    默加分析飞行仪（ArduPilotMega，APM）是市面上最强大的开源自动驾驶仪，该系统一般用于无人机的自动驾驶中，亦可植入地面装置中使用；APM与地面站相配合，使用一套全双工的无线传输系统构建数据传输链，即可形成功能强大的自动导引控制系统。本设计中的地面站采用了MissionPlanner操控平台，支持上百个三维路径点的自主设置，通过MAVLmk协议，该系统可实现双向遥测和实时命令传输。

    本次设计要求：（1）具备手动控制功能，小车可在规定范围内任意行驶；（2）具备自动控制能力，户外借助谷歌地图，依靠GPS预设轨迹自导引行驶；（3）拥有学习控制功能，户外让小车依程序任意设置轨迹驾驶一次，后续记忆该轨迹，并多次自动往返；⑷小车具备左、右转弯，直走，倒退，刹车等基本功能；（5）模型车要求负重：5kg以上，续航里程5km以上。

    2AGV小车机械结构设计

    小车的机械结构在整车设计中占重要地位。需要依次确定车架、传动机构、动力源及驱动系统等。

    2.1车架设计

    车架用于支承小车其余零部件，其整体强度和刚度需满足载重要求及承受汽车运行时由加速度所引起的外载荷；且设计时需尽量降低小车重心，避免在装载较高物体时引起倾翻。

    综上考虑，以200mm×300mm×2mml吕合金板和20mm×20mm×300mm（厚度2mm）L型角错作为主体框架材料用于加工制作小车底盘；200mm×300mm×3mm优质ABS板作为载物平台；M3×8cm铜柱若干，M3及M5

    螺钉螺母若干用作底盘与载物平台间支撑。整车尺寸控制为600mm×400mm×200mm。

    2.2传动机构分析及设计

    传动机构在很大程度上决定了小车的运动精度，合理的机械传动方案要求传动准确、稳定，以传动零部件的数目最少为佳。本次设计中提出了3种传动方案。

    方案一：采用三轮模型，电机动力经锥齿轮减速器传递给后两轮，前轮为万向轮，由转向机构驱动进行转向。

    方案二：采用四轮模型，后两轮采用双电机差速驱动，前两轮为联动万向轮。利用两轮差速的形式来实现小车左右转，前进或停止。

    方案三：在方案二基础上进行改进，仍采用四轮结构，后轮双电机驱动，仍用蜗轮蜗杆减速器进行减速驱动；前轮改用舵机实现灵活转向。

    综合分析上述3种传动方案，三轮驱动不如四轮结构稳定，且繁琐的锥齿轮减速及变换使传动精度下降；前轮主动转向比单一的后轮差速转向灵活度更高，更適合复杂户外地形。因此，本设计中采用方案三作为传动系统。同时，考虑与整车尺寸适配，选择了4个108mm的大摩擦力橡胶轮作为行进轮。

    2.3动力源及驱动设计

    目前，市面上的AGV小车的动力源一般采用大容量镍镉电池、锂电池或铅酸电池；驱动系统采用直流伺服电机、感应电机交流驱动或永磁同步电机交流驱动等方式。

    本文所设计的AGV小车为模型车，设计载重5kg，续航里程5km以上。考虑价格及环保性，采用两个18650芯5200mAh的锂电池互相串联，组装成一款额定电压12V，额定电流0.5A，容量为10000mAh的电源。模型车对行进速度要求不高，本设计采用了型号为37GB555R-3800的有刷电机。该电机输出力矩4.5kg·cm，空载转速325rpm，电机输出轴尺寸为6mm×15mm，配套蜗轮蜗杆减速器及6mm联轴器，同时，配备了一款480A风冷双向有刷电子调速器，实现电机转速和转向控制。

    3控制系统及软件设计

    AGV小车的控制系统采用了现有的ArduPilotJ空制面板，其核心MCU为ATMEL的8位ATMEGA2560。

    ArduPilot控制板整合了三轴陀螺仪与三轴加速度的六轴MEMS传感器MPU6000，16MB的AT45DB161D存储器，三轴磁力计HMC5883，11路模拟传感器输入，8路PWM控制输入以及11路PWM输出，控制面板还提供了多个USB及MUX接口用于连接外设。本设计中AGV小车的自动导引依靠GPS配合谷歌地图实现。因此，GPS的精度水平直接影响到小车的定位及行进精度[2]。

    工业AGV小车一般的定位精度要求为3?10cm。本次设计为模型车，用于测试整车性能及设计可靠性，综合考虑成本因素，应适当选取价格低廉、定位精度尚可的GPS模块。

    本次选择了一款低功耗的小型GPS模组UBloxNEO-7M，其灵敏度较高，能内嵌在各类使用GPS服务的设备中；数据输出速率默认为9600bps，配合本次设计采用的8位ATMEGA2560，将数据输出波特率设定为115200bps。该GPS模组冷启动定位时间为29s，热启动定位时间为1s，行驶过程中的搜星定位速度能满足要求；平均定位精度<2m，该模组还支持A-GPS服务，启动A-GPS后能获得更高定位精度。

    控制软件采用MissionPlanner，利用USB线将APM与电脑连接后，通过ArduinoIDE向芯片写入Rover固件，再经罗盘校准和巡航模式及参数设置后即可使用。

    4整车制作及测试

    整车制作步骤如下：（1）铝合金板、ABS板开孔，安装支撑铜柱，形成整体框架；（2）安装轮胎、电机、联轴器、电源、电子调速器；（3）安装ArduPilot控制板，合理布线，设定

    电调油门行程；（4）设置MissionPlanner参数，调试GPS信号试运行。

    在整车制作过程中，注意电源及电机安放位置。本设计中，电机及电源总质量为1.3kg，占整车质量的80%以上，布置时应尽量居中安放，避免小车头尾不平衡，进而在承载时发生倾覆。制作完成后AGV小车整体设计如图1所示。

    AGV小车制作调试完成后在黄山学院校园内进行了自动运送并返回的实测。经现场测试，该AGV小车实际承重可达7.5kg，续航里程8km，空载行进速度1.3m/s，完全以预先规划路径进行了物品运送，最终定位点误差1m左右，取得了预期效果。当在MissionPlanner中选择记忆模式时，该小车可在规划路径上多次自动往返。

    5结语

    本文將APM自动驾驶系统融入了AGV小车模型的设计中，全文介绍了该小车的机械结构设计、控制系统设计、软件使用、小车制作等内容，并在最后对实物小车进行了现场测试，测试结果符合预期要求。其定位精度取决于GPS模组精度，若采用更高精度GPS模组，采用差分数据处理方式，在出发点和目标点设置电磁导引、磁带导引等辅助手段，能进一步提高该小车的定位精度水平，达到工业级运行效果。

    [参考文献]

    [1]牛坤.自动导引小车AGV的结构设计及自主移动规划[D].北京：北京邮电大学，2014.

    [2]张晓霞，汪传龙，韩刘柱，等.AGV用GPS/DR组合导航信息融合[J].沈阳建筑大学学报，2011（1）：173-177.